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1、表面活性剂以及氟系表面活性剂摘要：当前，表界面化学在我们生活中越来越重要，扮演着一个不可或缺的角色。无论是身边的日常生活，还是各种工业生产，表界面无处不在。而在表界面化学中，表面活性剂是其重要的组成部分之一，在生活和生产中起到了非常大的作用。本文简单介绍了表面活性剂的概念，分类，应用。并就表面活性剂的其中一类氟系表面活性剂，做一个综述性的介绍，以期对表面活性剂有一个初步的了解。关键词：表界面 表面活性剂 氟系表面活性剂Surfactants and Fluorocarbon SurfactantsAbstract: Currently, chemistry of the surface of
2、materials is playing an more and more important role in our lives. Surface of materials is ubiquitous not only in daily life but also in industrial production. In particular, surfactant is one of the most important part among the family of surface chemistry. It has great influence on the daily affai
3、rs and industry. This article has made a brief introduction of the concept,categories and applications of surfactants and a further introduction of fluorocarbon surfactants in the hope of offering a simple understand of the surfactants by this review. 先从一个故事讲起。 美国曾经有一次登月行动因驱动火箭的液态燃料在一次断路周期后未能按原来计划执行
4、第二次点火而遭失败。在排除了系统装置故障原因后，一位表面化学家提出，由于液体燃料在失重空间中，不能很好的润湿容器而导致二次点火失败。若改进燃料对容器的润湿性，呈现浸润状态，则可使燃料顺利进入油泵。可见，表面化学基本原理对登月计划的成败竟产生了如此举足轻重的影响。 表面化学小至身边的肥皂洗涤剂，大致航天工程，可谓无处不在，时时刻刻都在发挥着它的作用。本文即对表界面化学中的重要的一块表面活性剂作一个简单的综述介绍，并着重介绍一下近几年来发展起来的新型的表面活性剂氟表面活性剂。一 表面活性剂1.表面活性剂的概念及分类 何为表面活性剂？ 表面活性剂，是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，
5、并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性的特点：一端为亲水基团，另一端为憎水基团；亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等；而憎水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。 表面活性剂由于具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。表面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂，其他应用几乎可以覆盖所有的精细化工领域。 表面活性剂分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂等。离子型表面活性剂可分为阴离子型，阳离子型以及两性离子表面活
6、性剂。而非离子型的则有乙二醇型，多元醇型等种类。2. 表面活性剂的应用表面活性剂可用于在食品工业，作为添加剂、加工助剂或清洁剂，大部分用途是作为乳化剂、起泡剂、消泡剂、润湿剂、分散剂、增稠剂、结晶防止剂、抗菌剂，抗氧化剂或与蛋白质和淀粉形成复合体及洗涤清洁剂。表面活性剂可用于洗涤剂生产中，是洗涤剂通常的主要组分，也是辅助组分助洗剂、添加剂等的组成成分。表面活性剂还可运用在化妆品中，主要功能包括乳化、分散、增溶、起泡、清洗、润滑和柔软等。表面活性剂在化妆品中具有广泛的用途，起着重要的作用。化妆品中所利用的表面活性剂的性能不仅仅是其单一的性能，而是利用其多种性能，因此，表面活性剂是化妆品生产中不可
7、缺少的原料，广泛应用于化妆品中。二 氟系表面活性剂1. 氟系表面活性剂概念 普通的表面活性剂，以分子中的碳氢烃基为憎水基，分子中还可以含有氧、氮、硫、氯、溴、碘等元素，也称为碳氢表面活性剂。如果在分子中除了含有以上8种元素外，还含有氟、硅、磷、硼等元素的表面活性剂则称为特种表面活性剂。含氟表面活性剂是普通表面活性剂的碳氢链中的氢原子部分或全部被氟原子取代后，具有碳氟链憎水基的表面活性剂，属特种表面活性剂的一类。氟元素是电负性最大的非金属元素，具有高氧化性、高电离能，使得碳氟键键能高，结构比碳氢结构稳定，同时又使氟原子难以被极化，这种低极性使氟碳链疏水作用远超过碳氢链。氟原子的电负性大，直径小，
8、能够将碳碳单键屏蔽起来，使之在强酸、强碱、高温和高辐射等各种环境下均显示出很高的稳定性。含氟表面活性剂具有高表面活性、高耐热稳定性及高化学稳定性这“三高”和含氟烃基既憎水又憎油这“两憎”的特性。2. 氟系表面活性剂的分类含氟表面活性剂的分类如大类的表面活性剂一样，可按照亲水基团类型的不同，含氟表面活性剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型以及两性表面活性剂4种类型。(1)阴离子表面活性剂。根据阴离子的不同，可分为羧酸盐型、磺酸盐型、硫酸酯盐型，磷酸酯盐型等类。有些阴离子含氟表面活性剂含有非离子聚氧乙烯基嵌段，以增加含氟表面活性剂的水溶性及其与阳离子或两性表面活性剂的兼容性。氟碳非极性基因可以是全
9、氟的氟碳烷基或部分含氟烷基。(2)刚离子表面活性剂。阳离子含氟表面活性剂主要分为胺盐型和季铵盐型两大类，其中季铵盐用途最广，因其不受pH影响，均可在酸、碱介质中使用。阳离子含氟表面活性剂的主要缺点是对某些阴离子敏感，因而不宜与带负电的离子如阴离子表面活性剂或阴离子颜料混合使用。从结构上看，表面活性剂中的亲水基团既可以是季铵离子或吡啶离子，也可以是胺基。憎水基部分除含氟烃基结构外，往往还含有烃基、酰胺基和碳酸基等摹团，其中氟烃基大部分是有6-10个碳原子的直链烃基结构。(3)两性含氟表面活性剂。两性含氟表面活性剂亲水基部分同时含有碱性阳离子和酸性阴离子。阳离子可以是胶基阳离子，也可以是季铵、吡啶
10、阳离子，阴离子多是羧酸基、磺酸基或硫酸酯基。两性含氟表面活性剂易溶于水，在较浓的酸、碱及无机盐溶液中也能溶解。不与Ca2+、MG2+及其他重金属离子作用，它与其他类型表面活性剂相容性好，而且它既可以被带正电荷的表面吸附，亦可被带负电荷的表面吸附。因此两性含氟表面活性剂的应用非常广泛，可以做高效泡沫灭火剂中的泡沫稳定剂，用在碳氢化合物的同体或液体用作润湿剂、分散剂，还可作为含氟烯烃乳液聚合的乳化剂等。两性表面活性剂中的阳离子基团以季铵阳离子较多，而分子中的阴离子可以是一个或多个羧基、磺酸基以及硫酸酯基等。(4)非离子表面活性剂。非离子表而活性剂主要是聚乙二醇型，但是可以根据使用的介质不同分为水溶
11、液中使用型和碳氢极性溶剂中使用型。是由具有活泼氢的憎水性含氟烷烃衍生物(如含氟的长链脂肪醇、烷基酚、脂肪羧酸、烷基胺、烷基醇酰胺和烷基硫醇等)住酸或碱催化剂参与下，与环氧乙烷加成制得。根据使用介质的不同，可作为水溶液中使用型(含有亲水基)、碳氢非极性溶剂(汽油和苯等)中使用型(含有亲油基)、含硅特种离子氟表面活性剂等3大类，其中含硅特种氟表面活性剂既具有较高的表面活性，又具有较低的表面张力，使用效果颇佳。为了提高含硅特种氟表面活性剂的表面活性，有人选择了在含硅氟表面活性剂分子中增加氟碳含量的改进方法，同时在氟碳基与硅原子间保持乙烯基链，效果良好。含氟表面活性剂与阴离子、阳离子及两性表面活性剂的
12、相容性好，因而广泛应用于工业生产中。但由于非离子型含氟表面活性剂中的聚氧乙烯亲水基比羧酸盐、磺酸盐等阴离子基团的化学稳定性差，因而不能在含强氧化剂的溶液中使用。3. 氟系表面活性剂的特点(1)高表面活性。含氟表面活性剂是迄今为止所有表面活性剂中表面活性最高的一种，这是含氟表面活性剂最重要的性质。它在浓度很低时就能使溶液的表面张力显著降低。一般含表面活性剂的浓度为001左右时，其水溶液的表面张力可以降低至1520mNm。(2)高耐热稳定性。一般含氟表面活性剂加热到400以上不会分解，这也与CF键十分稳定有关。(3)高化学稳定性。含氟表面活性剂中的CF键十分稳定，使它具有很高的抗强酸、强碱、强氧化
13、剂的能力，可以在更多苛刻的环境中使用。(4)既憎水又憎油。含氟表面活性剂分子中的含氟烃基，既是憎水基又是憎油基，这使一些固体材料表面有含氟表面活性剂时就不能粘附水性或油性的物质，大大减少了污染。(5)良好的润湿渗透性和起泡稳泡性。添加含氟表面活性剂的液体润湿力和渗透力大为提高，在各种不同的物质表面上都能很容易润湿铺展。在普通表面活性剂不能起泡的物质中，使用含氟表面活性剂可以形成稳定的泡沫。(6)优良的复配性能。含氟表面活性剂与碳氢表面活性剂复配后。具有更高的降低表面张力的能力。这可以大大降低含氟表面活性剂的使用成本。而且含氟表面活性剂在水中可以形成含水的稳定液晶，成为不溶于水的活性物质，分散于
14、水中，从而使任何两种不同类型的含氟表面活性剂可以相互复配。(7)其它优良性能。包括乳化分散性、抗静电性、润滑流平性、脱膜性等。含氟表面活性剂的这些特性使其具有非常高的附加值、广泛的用途和市场前景，特别是在一些特殊的应用领域，有着其它表面活性剂无法替代的作用。4. 氟系表面活性剂的制备含氟表面活性剂的合成一般是首先合成含6-10个碳原子的碳氟化合物，然后制成易于引进各种亲水基团的含氟中间体，最后引进各种亲水性基团制成各类含氟表而活性剂。其中含氟烷基的合成是制备含氟表面活性剂的关键。目前，含氟烷基的工业化生产方法主要有电解氟化法、氟烯烃调聚法以及氟烯烃齐聚法3种。5. 工业应用含氟表面活性剂由丁具
15、有非常独特的性质，因而在纺织、电气、造纸、燃料、皮革、感光材料、建筑、石油、消防笛领域具有广泛的用途。 而客观的来看，含氟表面活性剂有着非常重要的用途。然后含氟活性剂却并非十全十美。在2006年底欧盟通过限制PFOS销售指令之后，含氟表面活性剂必须创新发展。氟表面活性剂是20世纪最重要的化工产品之一。进入21世纪含氟表面活性剂必须要向环保、高效、低成本方向发展。 比如说，近年来，含硅的含氟表面活性剂正以其独特性能引起人们的关注。含氟表面活性剂和硅表面活性剂都属于特种表面活性剂。含硅的含氟表面活性剂可望具有含氟表面活性剂在浓度很高的乙醇水溶液中也显示很高的表面活性。它可作为高效消泡剂，不仅可用于
16、水溶液体系，而且可用于非水体系。含硅的含氟表面活性剂也具有优异的润滑作用。 再者，对含氟表面活性剂中碳氟链进行化学修饰以使其具有更多的特殊功能的工作也有了较大进展。与碳氢链锯齿型构型相反，碳氟链具有刚性构型。有人将醚键引入碳氟链，以使碳氟链具有更好的柔顺性及水溶性。而杂原子的引入更使碳氟链多样化。三小结 以上只是对于含氟系表面活性剂的一些粗略的介绍。而从氟系活性剂的一些认识，其实也是完全可以用之于活性剂整体。活性剂是一个年轻的学科领域，但是在过去的几十年中日趋成熟，取得了巨大的进步，各种理论得到发展，各种技术得以进步。然后，我们不能固步自封，止步不前。目前的表面活性剂已然有许多地方还值得进一步的开拓。在21世纪，对环境的要求越来越高，活性剂
